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            浮子流量計工作原理|結構說明|技術換算

            作者: 來源: 發布時間:2018-04-19 10:47:35


              流量是工業測量的一個非常重要的測量方面,可以應用于能源的利用、環境的保護、科學實驗、航空航天等很多的領域。由于測量原理的不同,流量計一般分為四類:分別是質量流量計、速度式流量計、節流式差壓流量計、容積式流量計。浮子流量計屬于差壓流量計范疇。差壓流量計是目前在工業領域應用zui廣泛的流量計之一。



             浮子流量計


              浮子流量計使用歷史悠久。浮子流量計的測量原理是在測量介質的過程中,始終保持節流件前后的壓差不變,通過改變流通面積來改變流過浮子流量計的流量,所以在美國、日本等國家也把浮子流量計叫做變面積流量計(Variable AreaFlowmeter)或面積流量計。浮子流量計的量程比一般可達 10:1,準確度約為±(1~2)%。
             
              浮子流量計的優點包括結構簡單、制造方便、使用便利、壓力損失小、成本不高等,由于其有點眾多,因此在實驗及生產領域應用廣泛。
             
              早在 1868 年,美國科學家艾德蒙德·奧古斯丁·卡麥羅伊(Edmond AugustinChamenoy)進行了浮子流量計的專利登記。1910 年,羅達沃克(Rotarywork)公司開始制造并且銷售浮子流量計,為了使浮子保持在錐管的中間而不碰到管壁,羅達沃克公司在浮子上開上螺旋的溝槽,這樣,當用流量計進行流量測量的時候,浮子會繞著中心軸旋轉,就不會碰到管壁]2,1[。1931 年,玻璃錐管被發明,famingzhe是美國籍科學家卡米特·菲切爾(Kermit·Fiecher),他用石墨心軸法研制出玻璃錐管。1937 年,菲切爾·安德魯普公司又發展改進了這種制造方法,開始大規模化批量化的生產玻璃錐管浮子流量計,從而奠定了工業用浮子流量計的制造基礎。20 世紀 70 年代,德國工程師學會(VDI/VDE)經過分析多方數據,制定了有關浮子流量計的專業標準 VDI/VDE3513。
             
              我國對浮子流量計的研究起步較晚,在 20 世紀 50 年代后期,沈陽玻璃儀器廠首次生產出玻璃管浮子流量計。60 年代中期,上海自動化儀表公式經過改進研制,
             
              生產出具有輸出信號的金屬管浮子流量計。90 年代左右我國引進日本和德國的先進技術,與我國的實際生產相結合,生產本國的浮子流量計。
             
              浮子流量計的分類有金屬管浮子流量計,玻璃管浮子流量計,孔板浮子流量計。
             
              金屬管浮子流量計采用制作的材料是金屬錐管,由于工作時浮子的位置和工作情況無法直接觀測到,因此需要用間接的方法測量出浮子的位置,從而求出流量。有遠傳和就地指示兩種不同的傳輸信號方式。金屬管浮子流量計主要用來測量溫度較高、壓力較大的工作條件下的流體,廣泛應用于工業原料配比的計量,過程控制領域、流量檢測領域和累計流量等很多領域和方面。
             
              由于浮子流量計特殊的結構特點,所以流體粘度對流量計測量的準確度和精確度有很大影響[10]。因此,當測量流體是高粘度流體時,浮子流量計是否具有粘度修正對測量會有很大的影響。在選取時候,應該選取帶有粘度修正功能的浮子流量計。研究流體粘度對浮子流量傳感器影響,歸納推導出浮子流量傳感器粘度修正公式,對于進一步改善測量儀表的精確度,擴大其使用范圍,意義深遠。
             

            1、浮子流量傳感器的工作原理:
              如圖 1-1 所示,浮子流量傳感器包括浮子流量傳感器單元、機電轉換單元和后處理單元三部分。浮子流量傳感器單元是決定測量準確性與工作穩定性的核心環節,其結構如圖 1-2 所示,包括錐管和浮子兩部分,其中浮子由上下導向桿固定,可以在錐管中上下移動,而不碰到管壁。被測流體自下而上流過浮子流量傳感器時,浮子受力如圖 1-3 所示,浮子受到重力 G、差壓力 Fp、浮力 Fρ和摩擦阻力 Ff 和粘性剪切力 Ff’五個力的作用,其中后面四個力構成了浮子上升的升力Fs。若 FS 大于 G,浮子便上升。浮子上升時,錐管和浮子間的環形面積隨之增大,由于流體流通面積變大,則流經流體流速下降,從而導致浮子上下截面壓差降低,升力 FS 隨之減少。當 FS 等于 G 時,浮子便穩定在某一高度 h,由 h 即可測得體積流量 qv[11-12]。本文主要研究的是粘性剪切力對浮子流量傳感器的影響。


                    圖1-1浮子流量計的整體結構示意1.浮子流量傳感器2.機電轉換單元3.信息處理單元
                   圖1-1浮子流量計的整體結構示意1.浮子流量傳感器2.機電轉換單元3.信息處理單元
            圖1一2浮子流量計基本結構圖1一3浮子受力

            圖1一2浮子流量計基本結構圖1一3浮子受力


            2、浮子流量傳感器的研究現狀:
            2.1、浮子流量傳感器的結構設計現狀:
              為了提高浮子流量傳感器在工業應用中的測量精度,國內外很多學者對浮子以及錐管形狀進行設計并且嚴格控制工藝流程,取得了很大的進展。
              三暢儀表等研究了通過研究浮子流量傳感器的各個生產環節,得到不同生產環節的差異對浮子流量傳感器測量性能的影響。H.S. Sondh 等通過大量的實驗,設計了頂部為拋物線形的圓錐體、底部為半球形的平截頭圓錐體等浮子形狀。王福斌等通過實驗研究,設計出雙浮子流量傳感器,其測量原理是根據流量大小選用不同的浮子測量,即使用大浮子測量大流量,使用小浮子測量小流量,從而擴展了浮子流量傳感器量程。樸立華等把孔板浮子流量傳感器的浮子設計成雙錐形,不僅減低了其壓力損失,而且大大提高了孔板浮子流量傳感器的線性度。

            2.2、流體粘度對浮子流量傳感器測量精度影響的研究:
              目前,大多數流量傳感器生產廠家是根據國家標準或者企業按照國家標準自行制定的標準進行生產,所生產出的流量傳感器的精度和量程是在標校條件下水或空氣的精度和刻度。但是,實際工業應用中,傳感器測量的流體大多是粘性流體。以前,對粘度不大的流體一般采用的處理方法是把其近似成理想流體進行處理。這樣就不用考慮流體粘度對測量誤差的影響。但是,當測量粘度很大的流體時,會出現很大的誤差,嚴重影響傳感器的測量的準確度和精確度。為了減低粘性流體對傳感器的測量影響,國內外學者進行了多種渠道的研究,試圖揭示出粘度對浮子流量傳感器測量的影響程度。主要從兩方面進行研究:一方面是重新設計浮子流量傳感器的結構,減低粘度對其影響;另一方面是結合大量實驗,進行理論研究,推導出粘度修正曲線或者粘度影響公式,獲得不同粘度的被測流體的流量轉換關系。
              Miller.R.W設計出一系列結構特殊的浮子,在一定粘度下,由于其敏感上限值的差異,在實際測量流體時不需要進行粘度的修正,但從理論層面上沒有解釋其減粘原因。
              伊藤好弘設計出雨滴狀的浮子形狀,不僅可以減小粘度對浮子的影響,而且也降低了由于浮子的自身形狀帶來的壓差損失。
              蘇鋒在獲得了粘性流體浮子流量傳感器數學模型的基礎上,通過減小與流動方向相平行的浮子表面積,設計了一種新型的浮子流量計,有效的減小粘度影響。
              樸立華設計了雙錐形孔板浮子流量計,與傳統單錐形孔板浮子流量計相比,新設計的雙錐形孔板浮子流量計在壓力損失和線性度兩個方面大大改善了流量計的性能。楊根生等通過大量實流實驗總結出粘度對玻璃轉子流量計的測量影響,歸納出 Re'v、v '、 vv Q'三條粘度修正曲線,并對三條曲線進行對比分析,認為 vv Q'曲線更直觀,應用更方便。
              蘇鋒通過深入研究粘性流體對浮子流量傳感器的影響機理,建立了粘性流體浮子流量傳感器數學模型,并通過大量粘性試驗,證明了其有效性。
              樸立華通過在可變粘度流量測量裝置上對口徑是 25mm 的孔板浮子流量計進行大量的實流實驗,總結出孔板浮子流量傳感器粘度修正公式的一般形式。
              郭小麗通過大量實驗、CFD 數值計算和理論推導,提出了基于實驗數據的多項式擬合密度粘度修正法、基于 CFD 的孔板浮子流量傳感器粘度影響研究法和相似模型等效法的粘性介質流量計算法,并對三種方法進行了分析對比。

            轉子流量計原理與計算:
            1 概述
              轉子流量計(Rotometer),又稱浮子流量計(FloatTypeFlowmeter),在工業中得到廣泛的應用。它可測量液體、氣體和蒸氣的流量,宜測中小管徑(DN4~250)的流量。壓力損失小且恒定,測量范圍比較寬,量程比1:10,工作可靠且刻度線性,使用維修方便,對儀表前后直管段長度要求不高。其測量精確度為±2%左右,受被測液體的密度、粘度、純凈度以及溫度、壓力的影響,也受安裝垂直度的影響。玻璃管浮子流量計結構簡單,成本低,易制成防腐蝕性儀表,但其強度低。金屬管浮子流量計可輸出標準信號,耐高壓,能實現流量的指示、積算、記錄、控制和報警等多種功能。
            1.1 原理及結構
            1.1.1 沖量定理及應用
              設一物體的質量為m,作用其上的力為F,實際上流體的速度v,物體變化路程為L。那么根據沖量定理可推出

            沖量定理及應用


            1.1.2 測量原理及結構
              如果將阻擋體置于直立且具有錐度(上大下小)的管道中,就形成轉子式的流量計,它的工作原理如圖1所示。

            圖5 轉子流量計工作原理圖

            圖5 轉子流量計工作原理圖


              當流量增加時,轉子接受流體自下而上的沖力將增加,因而被沖向上方,一到達上面,由于流通截面增加,流速減小,沖力也隨之減小。當沖力和差壓對轉子截面構成的作用力以及粘滯摩擦力等的合力與轉子本身在流體中重量相等時,轉子即處于一平衡狀態,不再上升或下降,這個位置就表示新的流量值。
            1.2 計算公式
              設轉子的顯示重量為Wf(N),流體對轉子的作用力為F(N),錐形管與轉子間環形截面為Sa(m2),轉子處zui大截面積為Sf(m2),轉子體積Vf(m3),轉子密度為ρf(Kg/m3),轉子長度為L(m),流體介質的密度為ρ(Kg/m3),重力加速度為g(m/s2),則

            計算公式

              式中:qm—為質量流量;qv—為體積流量;ψ—為流量系數。ψ與轉子形狀和雷諾數有關,Sa與轉子高度有關。錐管形轉子流量計轉子的幾何形狀和選用的材料及被測流體一定時,式(2)等式右邊平方根內的值為一常數。當雷諾數大于一定的界限值時,ψ為一常數,這樣qm正比于Sa。
            1.3 不同測量介質的換算方法
              在實際使用轉子流量計過程中,由于被測物體的物性(密度、粘度等)和狀態(溫度、壓力等)與實驗流體的物性和狀態不同,所以必須對測量儀表進行刻度換算和粘度修正,以保證精確度。
            1.3.1 液體流量測量的刻度換算
              通常測量液體的轉子流量計的刻度,都是用水在20℃,1個大氣壓下標定的。按照下式進行刻度換算:

            刻度換算

              式中:Q1—標定時水的體積流量;Q2—使用時被測液體的體積流量;ρf—轉子的材質密度;ρ1—標定時的水密度;ρ2—使用時的被測液體密度;a1—水的流量系數;a2—被測粘性液體的流量系數。
              當被測液體的密度和水的密度不同但是兩者粘度系數相差甚微,即可忽略粘度變化對流量系數造成的影響,a2/a1可以當作1來計算。

            1.3.2 氣體流量測量的刻度換算
              測量氣體的浮子流量計通常都是在低壓、恒溫20℃狀態下用壓縮空氣進行標定的,然后在換算到標準絕對壓力為101325Pa、溫度為20℃時的流量值對儀表刻度。當儀表用來測量某一工作狀態下,任意一種氣體的體積流量時,需將儀表所示刻度值換算為工作狀態的實際流量值。于氣體,可以按照下面公式換算:

            計算公式

              式中:Qn—標定空氣在pn,Tn狀態下的體積流量,即儀表刻度流量值;Q—被測氣體由P,T狀態下的體積流量,即儀表刻度流量值;pn=101325Pa,Tn=293.15k(標準狀態下的絕對壓力和溫度);p,T—被測氣體在工作狀態下的絕對壓力和熱力學溫度;PnZn—分別為標定空氣在pn,Tn狀態下的密度和壓縮系數;ρ,Z—分別為標定空氣p,T在狀態下的密度和壓縮系數。
            當被測氣體的濕度較大時,應考慮水分含量的影響,氣體密度ρ按下式計算:
            ρ=ρg+Фρsmax
              式中:ρg—為測量條件下干燥氣體密度;Ф—為測量條件下相對濕度;ρsmax—為測量條件下飽和水汽的密度。
            1.4 金屬管轉子流量計
              金屬管轉子流量計與玻璃轉子流量計具有相同的測量原理,不同的是其錐管由金屬制成,這樣不僅耐高溫、高壓,而且能選擇適當的材質以適合各種腐蝕性介質的流量。流量計采用可變面積式測量原理,應用現代高技術手段及先進的元件和器件。流量計主要由三大基本部分組成:測量管;錐形浮子或靶式浮子;指示器。浮子的位移量與流量的大小成比例,通過磁耦合系統,以不同接觸方式,將浮子位移量傳給指示器指示出流量的大小。也可配裝不同的轉換器,將流量值轉換成標準的電遠傳信號,從而實現遠距離顯示、記錄、積算和控制功能。金屬管轉子流量計在指示器的設計上可以為各種應用場合提供可靠適用的功能組合,如現場指針顯示、LCD顯示瞬時和累計流量等。在指示器供電選擇方面有電池供電、24VDC供電、220VAC供電,方式根據現場情況選擇。
            1.5 選型計算
              在選型過程中,可以根據前面介紹的計算公式和相關設計樣本來確定轉子流量計的型號。本文以三暢儀表的轉子流量計為例,介紹如何根據計算公式來確定轉子流量計的型號。

            選型計算

              已知測量介質為液體,zui大流量為:Qmax=30m3/h,常用流量zui小值Qmin=10m3/h,粘度μy=3.1×10-5pags,密度ρy=810kg/m3,常用壓力py=0.49MPa,常用溫度ty=150℃。根據條件選出合適的浮子流量計的口徑及浮子號。
              選擇11Cr18Ni9Ti材質的浮子,其密度為780kg/m3。水在工作狀態時的密度為954kg/m3,則根據公式(3)可以得到

            計算公式2


              代入zui大流量Qmax=70m3/h和常用流量zui小值Qmin=20m3/h可以求得水的流量范圍Qsmax=66.6m3/h,Qsmin=22.2m2/h。
            通過查詢KF10的轉子流量計規格表,可以得知選擇口徑DN100,浮子號K10.2,材質1Cr18Ni9Ti。


            2.3、浮子流量傳感器內部流場的情況分析:
              計算流體力學是利用計算機的數值計算功能和圖像顯示功能,對一些包含有流體流動和熱傳導等的相關物理現象進行系統分析的科學。把 CFD 應用到流體測量領域,不但能快速準確設計出產品的結構參數,而且能夠反映出流場內部速度、壓力分布以及其他流動情況,具有設計周期較短、成本不高等特點。目前,眾多學者都采用 CFD 方法對浮子流量傳感器進行結構優化和粘度影響研究。
             

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